起重机

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正在施工的一台吊车,为上车回转式伸缩臂轮式起重机,属流动式起重机

起重机(英文:Crane),指用吊钩或其他取物装置吊挂重物,在空间进行升降与运移等循环性作业的机械。起重机有很多分类,“吊车”、“塔吊”、“天车”、“行车”等俗称指的就是起重机中的一类或几类。

按结构可分为桥架型起重机、缆索型起重机和臂架型起重机三大类,按取物装置可分为吊钩起重机、抓斗起重机、电磁起重机等十五类,按照移动方式可分为固定式起重机、爬升式起重机、便移式起重机、径向回转起重机、行走式起重机五大类,按照驱动方式可分为手动起重机、电动起重机、液压起重机三类。还有按照回转能力、支承方式、操作方式等来分类的。

历史[编辑]

作为生产生活中起升重物的需要,古代各个文明中均发展了具有自己特色的起重机械雏形,如中国古代的桔槔辘轳等,但现代起重机械起源于欧洲。

古希腊[编辑]

希腊-罗马式“Trispastos”(三滑轮起重机),最简单的起重机类型,可负载150kg

公元前6世纪末,古希腊人发明了用于起吊重物的起重机。[1]考古表明最晚到公元前515年,吊装夹具和吊楔英语Lewis (lifting appliance)的痕迹就已经出现在了希腊神庙的石块上。在这些石块上,有用于起升的孔,这些孔通常位于重心上方,或者对重心上方的一个点对称。考古学家认为这些迹象标明当时已经有了起重机的存在。[1]

不久后,绞车英语Winch滑轮组就取代土堆坡道(ramp)成为垂直搬运最主要的方式。在接下来的200年里,由于新的吊装工艺使利用几块小点的石块代替大石块更为可行,希腊建筑工地所需处理的构件重量迅速下降。相比希腊古风时期建筑石块不断增大的尺寸,像帕特农神庙之类的希腊古典时期神庙使用的都是重量在15-20吨以下的石块。同时,由于多柱结构的应用,大型单柱结构实际上已经被舍弃了。[2]

虽然从土堆坡道转变为起重机的具体过程还不清楚,但原因可能是,在当时希腊动荡的社会和政治条件下,在埃及和亚述等地常见的劳动力密集型的土堆坡道和所需大量劳动力并不是各个城邦可以负担的,取而代之的是小而专业的施工队和各种起重机械。[2]

滑轮组系统的最早文字记录出自《力学问题》(Mech. 18, 853a32-853b13),书中将其归功于亚里士多德(公元前384-322年),但其出现可能要稍晚一些。与此同时,希腊神庙的石块尺寸又逐渐达到了古风时期的水平,这标明复杂的滑轮组系统开始在希腊的建筑工地越来越普及。[3]

古罗马[编辑]

希腊-罗马式“Pentaspastos”(五滑轮起重机),可负重450kg
一个罗马“Polyspastos”的复原品,高10.4m,由踏轮提供动力,位于德国伯恩
古罗马的吊装场面

起重机在古代的全盛时期是罗马帝国时期,当时施工建设猛增,建筑尺寸也相当巨大。罗马人采用了希腊的起重机并将其进一步发展。多亏维特鲁威希罗等工程师的详细记录,我们可以对罗马人的起重技术了解的比较多。公元一世纪末的昆图斯·哈特里乌斯英语Quintus Haterius的墓石上有两幅留存下来的浮雕详细地描绘了当时的踏车起重机英语Treadwheel crane

最简单的罗马起重机是“trispastos”(三滑轮起重机),这种起重机由一个单梁吊臂、一个绞车、一根和一个包含3个滑轮的滑轮组。该结构的机械利益为3:1 ,单人操作绞车就起升150公斤左右的重物。“pentaspastos”(五滑轮起重机)是起重量再大些的起重机,在其最能吊的工况,它共有5个滑轮,同时根据起升重量的不同,滑轮可以调节为3个,臂杆可以调节为2-4根。“polyspastos”借助绞车两边的四个人可以起升约3000公斤的重物。因为踏车具有更大的机械优势,所以如果将绞车换成踏车,仅需要一半的工作人员,其最大起重量可以加倍达到6000公斤。这意味着,相比埃及金字塔的建设中利用土堆坡道搬运一块2.5吨的石块利用50人,利用罗马polyspastos,每人可以起升3000公斤,是他们的60倍。[4]

无论如何,许多现存罗马建筑的石块已经远超polyspastos所处理的大小,这表明,罗马人的起重能力已经发展到了很高的水平。在巴勒贝克朱庇特神庙,额枋石块每块重达60吨,飞檐石块每块都超过100吨,且它们大都被提升到了19米左右。[3]罗马图拉真柱的主块重53.3吨,高达34米。[5]

古罗马工程师们依靠两种措施吊装大型物体:一是希罗所建议的提升塔(lifting tower),提升塔是由平行的四根桅杆组成的方塔架;[6]二是塔周围地面的大量绞车,虽然绞车比踏轮的机械利益要小,但它却可以实现多人甚至牲口同时施力。[7]根据阿米阿努斯·馬爾切利努斯的描述,多绞车系统就曾被用于马克西穆斯竞技场的拉特兰诺方尖塔的建造中。单个绞车的起重量可以通过单块巨石上吊楔孔的数量来确定。如之前提到的巴勒贝克的额枋石块,重量在55吨到60吨之间,上面的八个孔标明,每个吊楔允许的载重为7.5吨,这也是每台绞车的吊装载荷。[8]通过协作起吊如此巨大的重量,需要为绞车提供动力的各个工作组之间大量的精准协作。

中世纪[编辑]

中世纪港口起重机,用于安装桅杆和装卸重物,位于波兰格但斯克[9]

中世纪中期,由于西罗马帝国灭亡后的科技倒退,踏车起重机在西欧再次大规模应用。[10]对踏轮起重机(magna rota)最早的记载发现于约1225年的法国档案文献,[11]紧随其后的是1240年的一份同样出自法国的记载。[12]在航海行业方面,乌得勒支最早使用岸上起重机是1244年,安特卫普是1263年,布吕赫是1288年,汉堡是1291年,[13]而在英格兰到1331年才有踏车起重机的记载。[14]

马修·帕里斯英语Matthieu Paris著作《圣亚班传》(Life of St Alban)中的独轮车与担架

通常,用起重机来完成垂直搬运要被常规的方式更安全、更廉价。因此,在港口、矿山和尤其是建筑等领域,踏轮起重机应用广泛,其在高耸的哥特式教堂的建造中发挥了重要作用。然而,无论当时的文字还是图案资料都表明像踏轮起重机、独轮车等新引入的机械远没有取代传统的劳动力密集的梯子、泥浆桶、担架等方式。相反,在中世纪新旧方式一直在港口和建筑工地共存。[15][13]

除了踏轮,中世纪的资料显示,当时的起重机也有用带辐条英语Spoke曲柄英语Crank (mechanism)绞盘英语windlass来手动驱动的,直至15世纪仍有用船舵形状的绞盘来驱动起重机的。已知早在1123年,飞轮就被用来缓解吊装过程中冲击的不规则性和克服“死点”的影响。[16]

尽管踏轮起重机的重新兴起毫无疑问地与当时哥特式建设的大规模兴建有关,但其具体过程是不明确的。[11]踏轮起重机的重现还可能导致了绞盘的技术进步。另外,中世纪踏轮可能是刻意借鉴古罗马建筑师维特鲁威的《建筑十书英语De architectura》中的图样来制作的,该书可以在很多修道院的图书室中轻易得到。早期踏轮的结构与水车十分相似,所以踏轮的再现也可能是从水车的省力结构中受到了启发。[14]

结构与布置[编辑]

建筑顶上的单踏轮起重机

中世纪的踏轮起重机包括一个或两个绕着中轴转动的巨大踏轮,踏轮宽度足够两个人并排行走。虽然早期的“圆规臂”轮('compass-arm' wheel)是直接插入轴杆之中的,但更先进的“扣臂”型('clasp-arm' type)则已改为了连接轮辋的弦杆,[17]这为使用更细的轴杆和提供更大的机械利益英语Mechanical advantage提供了可能。[18]

与普遍持有的观点不同,中世纪建筑工地的起重机既不是放在当时所用的极为轻便的脚手架上的,也不是放在哥特式教堂的薄墙壁上,它们无法承载起重机和负载的重量。相反地,建筑最初阶段,起重机被放在地上,且通常是在建筑里面。在新的一层地板完成及屋顶大规模系梁连到墙上后,起重机就被拆除并在顶梁上重组,靠起重机的移动完成拱顶的建造。[19]因此,起重机随着建筑的建造而迁移,造成英格兰所有现存的建筑起重机全是在教堂塔楼的屋顶之下和拱顶之上发现的。建筑完成后他们依旧被留在那里,以备维修时吊装材料。[20]

類型[编辑]

在建橋工程中所用的起重機械,根據其構造和性能的不同,一般可分為輕小型起重設備、橋式類型起重機械和臂架類型起重機三大類。輕小型起重設備如千斤頂電動葫蘆卷揚機等。橋架類型起重機械如樑式起重機龍門起重機等。臂架類型起重機如固定式回轉起重機塔式起重機、汽車起重機與輪式、履帶起重機等。

在一定範圍內垂直提升和水平搬運重物的多動作起重機械,又稱吊車,屬於物料搬運機械。起重機的工作特點是做間歇性運動,即在一個工作循環中取料、運移、卸載等動作的相應機構是交替工作的。

 
 
 
 
 
 
 
 
 
桥式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
桥架型起重机
 
 
门式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
半门式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
缆索起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
缆索型起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
门式缆索起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
门座起重机
 
 
 
 
 
 
按构造分
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
半门座起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
缆索式桅杆起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
桅杆起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
刚性斜撑式桅杆起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
流动式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
塔式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
臂架型起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
铁路起重机
 
 
柱式悬臂起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
悬臂起重机
 
 
壁式悬臂起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
浮式起重机
 
 
自行车式起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
甲板起重机
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
臂架起重机
 
 
 
 
 

参考[编辑]

两台正在施工的履带吊,上车回转式桁架杆臂履带起重机,属流动式起重机
  1. ^ 1.0 1.1 Coulton 1974,第7页
  2. ^ 2.0 2.1 Coulton 1974,第14f.页
  3. ^ 3.0 3.1 Coulton 1974,第16页
  4. ^ All data from: Dienel & Meighörner 1997,第13页
  5. ^ Lancaster 1999,第426页
  6. ^ Lancaster 1999,第427ff.页
  7. ^ Lancaster 1999,第434ff.页
  8. ^ Lancaster 1999,第436页
  9. ^ 引用错误:无效<ref>标签;未为name属性为Matheus_1996.2C_346的引用提供文字
  10. ^ Matthies 1992,第514页
  11. ^ 11.0 11.1 Matthies 1992,第515页
  12. ^ Matthies 1992,第526页
  13. ^ 13.0 13.1 Matheus 1996,第345页
  14. ^ 14.0 14.1 Matthies 1992,第524页
  15. ^ Matthies 1992,第545页
  16. ^ Matthies 1992,第518页
  17. ^ Matthies 1992,第525f.页
  18. ^ Matthies 1992,第536页
  19. ^ Matthies 1992,第533页
  20. ^ Matthies 1992,第532ff.页